Un micro-affichage EEG pour la visualisation de l’activité neuronale de la surface cérébrale

Introduction

La cartographie fonctionnelle actuelle de la neurochirurgie dépend principalement de la communication verbale entre le neurochirurgien et l’électrophysiologiste. Ces processus sont chronophages et offrent une résolution limitée. De plus, les grilles d’électrodes utilisées pour mesurer l’activité cérébrale présentent une résolution faible et ont du mal à s’adapter pleinement à la surface du cerveau. Afin de surveiller et d’afficher plus efficacement en temps réel l’activité neuronale de la surface cérébrale pendant la chirurgie, cette étude propose et développe un micro-affichage électrophysiologique intracérébral (iEEG microdisplay) avec 2048 diodes électroluminescentes (LED) en nitrure de gallium (GaN).

Aperçu de l’étude

Cet article est écrit par Youngbin Tchoe et ses collègues, affiliés à différents départements de l’Université de Californie à San Diego, notamment les départements d’ingénierie électronique et informatique, de bio-ingénierie, d’anesthésiologie, de neurochirurgie, entre autres. L’article a été publié dans Science Translational Medicine le 24 avril 2024.

Flux de travail de la recherche

Conception expérimentale et méthodes

Cette étude intègre des expériences multi-étapes, incluant la sélection des animaux expérimentaux (souris et cochons), la construction et la validation de l’affichage, ainsi que la détection des signaux électrophysiologiques sous divers modes de stimulation et de pathologie.

Construction de l’affichage

Le micro-affichage iEEG développé intègre 2048 μLEDs en GaN sur une couche ultra-fine de polyimide. Le choix des μLEDs en GaN est dû à leur haute efficacité énergétique et leur faible consommation, permettant une sortie lumineuse intense dans des environnements chirurgicaux lumineux tout en générant le moins de chaleur possible. L’affichage utilise la technologie de conversion de couleur par des points quantiques, permettant une émission de couleurs variées enrichissant la représentation visuelle des modèles d’activité cérébrale.

Construction et validation

Pour construire l’affichage, une matrice de μLEDs en GaN a été combinée avec une grille de nanorods de platine (PtNR) et une série d’expériences ont été menées pour validation. Ces expériences incluaient la vérification des variations de température et de l’impact thermique sur le tissu cérébral, ainsi que la validation de la sécurité électrique de l’affichage. Les résultats ont montré que l’affichage maintenait une température stable pendant l’opération et n’endommageait pas significativement le tissu cérébral.

Résultats expérimentaux

Détection des frontières des cortex fonctionnels

En utilisant des modèles de souris et de cochon, cette étude a utilisé des LED de différentes couleurs pour afficher en temps réel les frontières des cortex fonctionnels dans un environnement chirurgical, en particulier le cortex moteur (M1) et le cortex somatosensoriel (S1).

Identification des colonnes corticales individuelles

Grâce à la cartographie sensorielle locale, l’équipe de recherche a réussi à afficher en temps réel les réponses gamma locales élevées (HGA) en stimulant électriquement et par souffle d’air le visage et les membres des cochons. Ces expériences montrent que le micro-affichage iEEG peut afficher les colonnes corticales et les activités des régions cérébrales correspondantes.

Affichage des réponses à la stimulation électrique

En utilisant des sondes bipolaires et des sondes stéréotaxiques pour stimuler en profondeur le cerveau des cochons, l’affichage a réussi à montrer en temps réel la distribution des potentiels en réponse à la stimulation électrique.

Surveillance dynamique des activités pathologiques

En utilisant des modèles épileptiques induits par diverses neurotoxines (comme la Bicuculline et la 4-aminopyridine), l’affichage a pu montrer des ondes pathologiques en temps réel, surveillant les déclenchements et la propagation des crises épileptiques.

Conclusion et signification

Cette étude démontre le potentiel des micro-affichages iEEG pour afficher en temps réel l’activité du cortex cérébral, ce qui pourrait considérablement améliorer la précision et l’efficacité des chirurgies neurochirurgicales. Grâce à un retour visuel en temps réel de haute résolution, ces micro-affichages pourraient remplacer les technologies actuelles de cartographie des fonctions cérébrales, améliorant ainsi la précision et la sécurité des chirurgies neurologiques.

Points clés de l’étude

1. Proposition d’une nouvelle technologie de micro-affichage iEEG en temps réel, offrant une cartographie à haute résolution et hautement visuelle de l’activité du cortex cérébral.
2. Réalisation réussie de la combinaison de μLEDs en GaN avec une grille de PtNR, offrant une présentation visuelle en couleurs variées et permettant une surveillance dynamique en temps réel pendant la chirurgie.
3. Haut potentiel d’application démontré pour la gestion des ondes pathologiques, aidant à identifier précisément les zones fonctionnelles et pathologiques du cerveau pendant la chirurgie.

Applications futures et perspectives

Le micro-affichage iEEG de cette étude offre des avancées technologiques potentielles pour les futures chirurgies neurochirurgicales et la recherche fondamentale en neurosciences. Les directions futures d’amélioration incluent : - Réduction supplémentaire des interférences de bruit pour améliorer la qualité de l’affichage ; - Augmentation de la capacité à afficher en full-color pour améliorer encore les effets visuels ; - Réalisation de tests et validation sur des applications humaines pour garantir la sécurité et l’efficacité clinique de l’appareil.

Cette étude propose une nouvelle voie technique pour la cartographie des fonctions cérébrales et la surveillance neuronale peropératoire, affichant un vaste potentiel d’application clinique et de recherche.